一、物理层基本概念

1. 物理层接口特性

• 物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
• 物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性(定义标准)
  • 机械特性：定义屋里连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
  • 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口不见的信号线的用途
  • 规程特性(过程特性)：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

二、数据通信基础知识

1. 典型数据通信模型

2. 数据通信相关术语

• 通信的目的是传送消息(消息：语音、文字、图像、视频等)
• 数据通信指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数0、1序列的过程
• 数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
• 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式
  • 数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的
  • 模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的
• 信源：产生和发送数据的源头
• 信宿：接收数据的终点
• 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
  • 按传输信号分：模拟信道(传送模拟信号)、数字信道(传送数字信号)
  • 按传输介质分：无线信道、有线信道

3. 三种通信方式

1. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道
2. 半双工通信/双向交替通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
3. 全双工通信/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

4. 数据传输方式

1. 串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。速度慢，费用低，适合远距离
2. 并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。速度快，费用高，适合近距离

5. 同步传输&异步传输

1. 同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据
2. 异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位

6. 码元

• 码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2)，此时码元为M进制码元
• 1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

7. 数字通信系统数据传输速率的两种表示方法

• 速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示

• 码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。(数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关)
  $$R_B=\frac{1}{T}$$

• 信号传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数)，单位是比特/秒(b/s)

• 关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n bit/s

8. 带宽(Bandwidth)

• 模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹(Hz)
• 数字设备中：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率"/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒(bps)

三、奈氏准则和香农定理

1. 失真

• 影响失真程度的因素：
  • 码元传输速率
  • 信号传输距离
  • 噪声干扰
  • 传输媒体质量

2. 码间串扰

• 信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差
• 码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

3. 奈氏准则(奈奎斯特定理)

• 奈氏准则：在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz
  $$\begin{gathered} 理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlo{g}_{2}V(b/s) \\ W：带宽(Hz) \\ V：几种码元/码元的离散电平数目 \end{gathered}$$

• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能

• 信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输

• 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制

• 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法

4. 香农定理

• 噪声存在与所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

• 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，即：
  $$信噪比(dB)=10lo{g}_{10}(S/N)数值等价$$

• 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值

$$\begin{gathered} 信道的极限数据传输速率=Wlo{g}_2(1+S/N)(b/s) \\ W:带宽(Hz) \\ S/N:信噪比：S是信道所传信号的平均功率，N是信道内的高斯噪声功率 \end{gathered}$$

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
• 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输
• 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能用达到的传输速率要比它低不少
• 从香浓定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限

5. 奈氏准则和香农定理的区分

• 奈氏准则
  • 带宽受限无噪声条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限2W Buad
  • 理想低通信道下的极限数据传输率=$2Wlo{g}_{2}V$
  • 要想提高数据率，就要提高带宽/采用更好的编码技术
• 香农定理
  • 带宽受限有噪声条件下的信息传输速率
  • 信道的极限数据传输速率=$Wlo{g}_2(1+S/N)$
  • 要想提高数据率，就要提高带宽/信噪比

四、编码与调制

1. 基带信号与宽带信号

• 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
• 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)。来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号
• 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)
• 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)
• 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大，及时信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

2. 编码与调制

3. 数字编码为数字信号

1. 非归零编码(NRZ)：高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步

   

2. 曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1;码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步)，又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2

   

3. 差分曼彻斯特编码：同1异0，常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的调准，可以实现自同步，且抗干扰性强与曼彻斯特编码

   

4. 归零编码(RZ)：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式

   

5. 反向不归零编码(NRZI)：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1

   

6. 4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此成为4B/5B。编码效率为80%。只采用16中对应16种不同的4位码，其他的16中作为控制码(帧的开始和结束，线路的状态信息等)或保留

   

4. 数字数据调制为模拟信号

• 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程

  

5. 模拟数据编码为数字信号

• 计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)。

• 最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存和音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码

• 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号编程时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定期进行采样
  $$f_{采样频率}\ge 2f_{信号最高频率}$$

• 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量

• 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

  

6. 模拟数据调制为模拟信号

• 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

  

五、数据交换方式

1. 数据交换方式

• 电路交换
• 报文交换(存储转发交换方式)
• 分组交换(存储转发交换方式)
  • 数据报方式
  • 虚电路方式

2. 电路交换(Circuit Exchanging)

• 电路交换原理：在数据传输期间，源节点与目的节点之间有一条由中间节点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持
• 电路交换的阶段：
  1. 建立连接(呼叫/电路建立)
  2. 通信(数据传输)
  3. 释放连接(拆除电路)
• 特点：独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远程批处理信息或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况

3. 报文交换(Message Exchanging)

• 报文：报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变

• 报文交换的原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式

4. 分组交换(Packet Exchanging)

• 分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组(packet)

• 分组交换的原理：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收节点将收到的分组组装成信息或报文

5. 数据交换方式的选择

• 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小
• 当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适
• 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合与计算机之间的突发式的数据通信

6. 数据报方式

1. 源主机A将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点A
2. 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同
3. 结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本

7. 数据报方式特点

1. 数据报方式为网络层提供无连接服务。发送方可随时发送分组，网络中的节点可随时接收分组。
   1. 无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同
2. 同一报文的不同分组达到目的节点时可能发生乱序、重复与丢失
3. 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号
4. 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组
5. 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信

8. 虚电路方式

• 虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径(逻辑连接)，路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息
• 虚电路交换过程
  • 建立连接(虚电路建立)：源主机发送"呼叫请求"分组并收到"呼叫应答"分组后才算建立连接
  • 数据传输：每个分组携带虚电路号、分组号、检验和等控制信息
  • 释放连接(虚电路释放)：源主机发送"释放请求"分组以拆除虚电路

9. 虚电路方式的特点

1. 虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的节点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
2. 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带原地址、目的地址等信息，包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的节点时不会乱序、重复或丢失
   1. 连接服务：首先为分组的传输确定传输路径(建立连接)，然后沿该路径(连接)传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束拆除连接
3. 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只进行差错检测，不需进行路由选择
4. 每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同进程服务
5. 致命弱点：当网络中的某个节点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该节点或该链路的虚电路将遭到破坏

10. 数据报与虚电路对比

六、物理层传输介质

1. 传输介质及分类

• 传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
• 传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的鞋面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流
• 传输介质
  • 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播
  • 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等

2. 导向传输介质：双绞线

• 双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰(产生的电磁波大小相等相互抵消)
• 为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP)，无屏蔽层的双绞线就成为非屏蔽双绞线(UTP)

• 双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形

3. 导向性传输介质：同轴电缆

• 同轴电缆由导体铜制芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω通州电缆。其中50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统

• 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线较贵

4. 导向性传输介质：光纤

• 光纤通信话就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是$10^{8}MHz$，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽

• 光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，他们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲；在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲

• 光纤主要由纤芯(实心的)和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光纤从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去

• 一根光缆少则只有一根光纤，多则包括十至上百根光纤

• 

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• 光纤的特点：
  • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
  • 抗雷电和电磁干扰性能好
  • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
  • 体积小，重量轻

5. 非导向性传播介质

• 无线电波：较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域(如手机通信)。信号向所有方向传播
• 微波：信号固定方向传播，微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高
  • 地面微波接力通信
  • 微星通信
    • 优点：
      • 通信容量大
      • 距离远
      • 覆盖广
      • 广播通信和多址通信
    • 缺点
      • 传播时延长(250-270ms)
      • 受气候影响大(强风、太阳黑子爆发、日凌)
      • 误码率较高
      • 成本高
• 红外线、激光：把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播

七、物理层设备

1. 中继器

• 诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误
• 中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度
• 中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互联，且两个网段速率要相同。
  • 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适用于网段的数据
  • 两端可连相同媒体，也可连不同媒体
  • 中继器两端的网段一定要是同一个协议
• 5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围做了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内运行，否则会网络故障

2. 集线器(多口中继器)

• 集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备

来源：王道考研